虚拟现实在建筑设计中的拓展应用

Extended Application of Virtual Reality in Architectural Design

汪成

（同济大学建筑设计研究院）

1 引言

虚拟现实技术发展到现在已经是家喻户晓了,虽然目前应用最多普及最广的还是游戏方面,但是在其他各行各业诸如教育培训,医疗急救,建筑地产,文物古迹,虚拟旅游等等各个方面也都有其身影。单独在建筑设计领域上的应用来看,他的应用面还是比较单一,大多只是集中在建筑漫游,游览观看等方面上,顶多加上一些功能介绍互动交互等,但是真正能够提供给建筑设计师实际使用帮助的功能还是少之又少,我们希望能够在建筑照明模拟,在建筑声效仿真,建筑视线分析等方面都能够为建筑设计师提供实实在在的帮助与支持。

2 虚拟现实的概述

虚拟现实（Virtual Reality）简称VR,又称灵境技术,它指通过计算机生成一种模拟环境,可以把现实中已有的场景环境,以及现实中没有的空间环境通过计算机建模的形式在电脑里面模拟出一个虚拟的空间出来,再通过添加各种材质光照技术实现真实的纹理和质感。最终通过发布到头戴显示设备和利用空间定位技术将虚拟出来的空间呈现在头戴显示设备里,让人仿佛沉浸在虚拟环境之中。

VR的发展具体可以追溯到二十世纪60年代,当时只有单一的声行动态,其中硬件设备也是极其的笨重。一直发展到现在已经有大量便于携带的硬件设备,体积不仅明显缩小,便携性也大大增加,目前比较有代表性的诸如∶HTC Vive,Gear VR,PlayStation VR,Hlolens等等。这些硬件基本上代表了当今VR硬件的发展水平,或许在不久的将来会有更加强大便捷的硬件设备,那样对于虚拟现实行业的发展来说更是如鱼得水。虽然目前硬件设备已经如此强大,但是离开内容的硬件设计只是一堆设备。其中VR的发展必然离不开内容,如果只是硬件发展起来了,没有内容同样是不行的,现如今各行各业都在VR行业崭露头角,教育,医疗,旅游,设计,等等数不胜数,因此VR在建筑行业上的发展同样是缺其不可的。

3 建筑设计的VR拓展

3.1 虚拟现实在建筑设计中的运用

自从虚拟现实（VR）在2016年短暂的爆发式增长以来到现如今在建筑设计领域逐渐稳步的发展,渐渐成为建筑设计行业里一个新兴的标杆,目前其主要应用在建筑设计的可视化模拟上,把设计师设计好的建筑通过建模并附加材质和灯光,来实现在VR眼镜里呈现,这种模式基本上推翻了以前做设计必出效果图出三维动画的模式,让设计师把设计想法在虚拟空间中呈现出来,以提供给设计师和客户进行设计方案的探讨和研究。目前建筑VR行业效果制作基本上都是基于Unreal Engine 4(简称UE4)虚幻引擎和Unity,还有一些基于UE4引擎开发出来的后期软件如Twinmotion、Mars等,其在制作模式基本上与UE4一样,先是制作模型拆分UV,然后导入引擎制作材质,制作灯光效果。

建筑设计的VR可视化只是目前虚拟现实技术在建筑行业的最基本应用,虽然它可以通过PBR材质系统（Physically Based Rendering）来非常逼真的还原建筑设计中的各种材质,各种建筑材料的质感。但是在建筑设计中仅仅只有视觉表达远远不够,在建筑设计里面涉及到的面很广,包含灯光光照系统,声音声学系统,屋面排水汇水系统,室内外水电系统,暖通系统,以及各种结构等等,如果涉及到一些功能性的建筑,会要求的更多,比如电影院,戏曲剧院这一类型它们需要考虑观看观众视线角度,保证不同座位的观众都能够有比较好的观看体验；例如音乐厅,歌剧院等这一类需要考虑各类演出的声学反馈,墙面反声板,吸音板等。

3.2 虚拟现实技术在音乐厅中的视线分析和灯光模拟的运用案例

图1 宝山音乐厅

图2 虚拟音乐厅中的光照效果

这里通过上海宝山音乐厅案例来阐述,虚拟现实技术在音乐厅设计中的拓展应用。“上海宝山音乐厅”是上海上港集团宝山码头产业专型的一个项目（见图1）,建筑面积为12000㎡,设计使用年限50a,由于位于长江口对于周边风荷载,抗震设防烈度均有较高要求。做为上海市宝山区政府重点规划项目,在此次项目招标以及后续设计中,我们首次引入并采用了虚拟现实技术来对详细设计进行一定的阐述和表达。

这里重点讲诉该项目在虚拟现实运用上的拓展,该项目在设计中充分同音效设计师,灯光设计师,以及视线设计师配合,在制作完成总方案设计师的场景方案后,针对舞台座位的视线优劣分析,这里通过引入UE4的蓝图BP的动态运算,精确计算出场景里的每个坐席的视线情况,并且根据不同演出模式进行任意切换,来计算每个观众观看舞台区域内视线的角度值,然后直接通过座位上人物模型的颜色变化来表现在虚拟场景里面。设计师通过佩戴VR眼镜,直接沉浸式的观看到音乐厅里面每个座位的视线情况,针对视线不好的座位进行结构方面的调整优化,最终保证90%区域以上的观众在观看舞台演出的时候视线角度达到至少80分以上。

另外宝山音乐厅这个项目中也是首次与灯光设计师合作成功将实时的光照方案引入虚拟音乐厅方案里面,使得灯光设计师的灯光方案真实原本的在虚拟场景中体现。具体的通过灯光设计师提供的详细灯光位置信息,以及每个灯光的IES文件（Illuminating Engineering Society of North America灯具光源配光曲线的电子格式）把设计出来的灯光信息完美还愿到虚拟场景中,使得方案设计师,灯光设计师和业主在建筑还未建成之前就可以观察到虚拟音乐厅中真实可以预见的光照效果（见图2）。从而提早完善设计达到业主预期,尽早纠正发现设计上的错误,完善音乐厅的灯光方案。

4 建筑设计的虚拟现实拓展制作方法

1）首先在3DMAX里根据设计图纸CAD进行精确的原尺寸建模,充分建模并还原设计中的每一个细节,每一个节点。这一阶段往往在工作量上是比较大的,需要先分析图纸了解设计师的方案,把模型按照设计师所绘制的图纸完整的建模出来,具体的模型制作细节,就不一一做讲,原则是保证模型每个面数的充分利用,不出现多余的不必要的面,保证模型的规整,法线正确,结构尺寸无误。

2）根据创建好的模型拆分模型的UV法线,这里要讲的是需要拆分两层UV,一层基本纹理UV,一层光照信息UV。基本纹理UV对应的是材质纹理贴图,可以预先把需要制作的纹理贴图贴在模型上面以保证纹理的尺寸和方向没有问题。第二层光照信息UV之所以要在3DMAX里面拆分是因为,后续虚幻引擎自动拆分的UV会很乱,无法达到完美的光影效果,因此必须手动拆分UV把UV面上衔接比较明显的部分连接起来,以保证生成光照的完整性。

3）在模型和UV都制作完整无误后就可以把模型导入到引擎里面,这个时候开始制作材质,进行一系列的场景布置,包括物理碰撞等。材质制作过程中一些详细节点,需要的模型比较细,这里我们就需要回到3DMAX里面把高面数的模型制作出来,然后通过烘培的方式把模型的信息细节烘培出来做成材质赋予在低面数模型上面,以达到场景优化的目的。

4）前面工作都完成后,开始制作拓展交互信息,这里需要通过UE4附带的BP进行功能交互编写,前面所说的视线角度分析,就是在这里通过BP程序模型互动计算来完成的。包括灯光真实模拟IES信息的添加也同样在这一步骤里面完成。

5 结语

虚拟现实在建筑设计行业的发展是必然趋势,其必将取代传统的效果图,三维动画这种基本而老旧的建筑设计诉求。而基于虚拟现实的建筑设计拓展,则是虚拟现实在建筑设计中将来发展的深化研究,其可以和建筑设计本身深度融合,它是建筑设计将来在表现形式方面以及方案设计方面高级进阶的一种表现,是时代发展的必然趋势。后续会有其他一些例如声效可视化模拟,汇水,水电等可视化的虚拟现实模拟的案例。